CN106793342A - 一种基于纹波补偿的长寿命led驱动电源 - Google Patents

一种基于纹波补偿的长寿命led驱动电源 Download PDF

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    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]

Abstract

本发明公开了一种基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源，包括一交流输入单元、一整流滤波单元、一隔离式Zeta电路、一输出整流单元、一纹波补偿单元、一集成控制单元、一LED负载；其中，整流滤波单元的交流侧与220V交流电源连接，直流侧接隔离式Zeta电路，输出整流单元左侧接隔离式Zeta电路，右侧连接纹波补偿单元和LED负载，集成控制单元左侧连接功率开关管，右侧连接LED负载；隔离式Zeta电路调节输出电压大小及实现功率因数校正功能，纹波补偿单元用于对电感电流纹波的检测及补偿输出电流，集成控制单元用于检测输出电压控制功率开关管的占空比以实现恒压输出。本发明能够实现对电感电流纹波进行检测及补偿从而实现恒流输出，延长LED驱动电源的寿命，并且功率因数高，稳定性好。

Description

一种基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体为一种基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源。
背景技术
随着能源危机和环境污染的日益严重，节能减排成为社会关注的焦点问题之一。LED灯具因有长寿命、低功耗、易调光、环境友好等优点逐渐取代白炽灯、高压钠灯、荧光灯成为第四代绿色光源。与传统灯具的电源不同，LED具有非线性的光-电-热特性，因此，高质量的LED驱动电源是推广LED照明的关键因素。
然而随着技术发展，照明市场对LED驱动电源的要求更加严格，如高可靠性、高效率、无频闪、长寿命等。传统的LED驱动电源采用电解电容进行滤波和稳压，而一般电解电容的寿命只有5k～10kh，与半导体器件LED的80k～100kh的工作寿命相差甚远，所以LED驱动电源中的电解电容严重制约了其整体寿命，限制了LED照明产业的进一步发展。因此，在不影响可靠性、效率、无频闪的前提下，使用长寿命、容值小的CBB电容或金属膜电容是LED驱动电源的发展趋势。现有的解决方法有采用谐波电流注入减小输入功率的脉动，实现无电解电容的目的，而注入谐波幅值越大，功率因数PF就越小，无法满足相关谐波标准要求。
发明内容
针对现有LED驱动电源存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源，在保证高可靠性、高效率、无频闪的同时，消除了LED驱动电源中的电解电容，有效延长LED驱动电源的使用寿命。
本发明的技术方案是，一种基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源，包括：一交流输入单元、一整流滤波单元、一隔离式Zeta电路、一输出整流单元、一纹波补偿单元、一集成控制单元和LED负载；其特征在于：交流输入单元依次连接整流滤波单元、隔离式zeta电路、输出整流单元、纹波补偿单元和LED负载，LED负载同时与集成控制单元连接。
所述整流滤波单元由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4及电容C1组成；所述二极管D1阴极与二极管D2阴极、电容C1正极相连，二极管D1阳极与二极管D3阴极相连，二极管D2阳极与二极管D4阴极相连，二极管D3阳极与二极管D4阳极、电容C1负极相连；所述隔离式Zeta电路由开关管S1、电感L1、电容C2、变压器T1、电阻R1组成；所述开关管S1的漏极与电容C1正极相连，开关管S1源极与电感L1一端、电容C2负极相连，电容C2正极与变压器T1原边Np的同名端相连，电感L1另一端与电阻R1、变压器T1原边Np的非同名端相连；所述输出整流单元由开关管S2、二极管D5组成；所述开关管S2漏极与变压器T1副边Ns的同名端相连，开关管S2源极与二极管D5阴极、电感L2一端相连，二极管D5阳极与变压器T1副边Ns的非同名端相连；所述纹波补偿单元由电感L2、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C4、电容C5、放大器A1、PNP型三极管Q1、NPN型三极管Q2组成，其中三极管Q1和三极管Q2组成扩流电路，对放大器A1的输出电流进行放大；所述电感L2一端与二极管D5阴极相连，电感L2另一端与电阻R2、电容C4正极相连，电阻R2右端与电阻R4、电阻R6、电容C3正极、LED负载正极相连，放大器A1反相端与电阻R3、电阻R5相连，放大器A1同相端与电阻R4、电容C5正极相连，放大器A1输出端与三极管Q1基极、三极管Q2的基极相连，三极管Q1发射极与三极管Q2的发射极、电阻R5、电阻R6相连，电容C5负极、三极管Q2集电极接地；所述输出单元(7)由n个LED灯串联、电容C3组成；所述LED阳极与电阻R2、电阻R4、电阻R6、电容C3正极相连，LED阴极与电容C3负极、二极管D5阳极相连；所述集成控制单元由光耦和PWM控制芯片HV9930组成。
所述由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和电容C1组成的整流滤波单元实现交流-直流变换以及对输出电压进行滤波。
所述由开关管S1、电感L1、电容C2、变压器T1、电阻R1组成的隔离式Zeta电路实现对输出电压的调节及功率因数校正，变压器T1起到隔离输入和输出的作用，保证在工频电压工作下驱动电源的安全性。
所述由开关管S2、二极管D5组成的输出整流单元实现对输出电压整流，采用与开关管S1同步的PWM信号控制开关管S2的导通和关断，减小驱动电源的整流损耗。
所述由电感L2、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C4、电容C5、放大器A1、PNP型三极管Q1、NPN型三极管Q2组成的纹波补偿单元实现对电感L2电流纹波检测及补偿输出电流，从而实现恒流输出。
与其他现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源，通过采用隔离式Zeta电路，很容易实现输入输出隔离、满足PF要求及驱动电源的工作条件；采用电阻检测电感电流及用放大器对电感电流进行检测补偿，能够使得产品的寿命更长，稳定性更好。
附图说明
图1为本发明的一种基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源的原理图；
图2为本发明的一种基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源的主要工作波形；
图3为本发明的一种基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源在开关管导通时的等效电路；
图4为本发明的一种基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源在开关管关断时的等效电路。
具体实施方式
为了更为具体的描述本发明，下面结合附图1-4对本发明的具体实施方式进行说明。
如图1所示，为一种基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源的原理图，包括：交流输入单元、整流滤波单元、隔离式Zeta电路、输出整流单元、纹波补偿单元、集成控制单元和LED负载；其中，交流输入单元依次连接整流滤波单元、隔离式Zeta电路、输出整流单元、纹波补偿单元和LED负载，LED负载同时与集成控制单元连接。其中，所述整流滤波单元由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4及电容C1组成；所述二极管D1阴极与二极管D2阴极、电容C1正极相连，二极管D1阳极与二极管D3阴极相连，二极管D2阳极与二极管D4阴极相连，二极管D3阳极与二极管D4阳极、电容C1负极相连；所述隔离式Zeta电路由开关管S1、电感L1、电容C2、变压器T1、电阻R1组成；所述开关管S1的漏极与电容C1正极相连，开关管S1源极与电感L1一端、电容C2负极相连，电容C2正极与变压器T1原边Np的同名端相连，电感L1另一端与电阻R1、变压器T1原边Np的非同名端相连；所述输出整流单元由开关管S2、二极管D5组成；所述开关管S2漏极与变压器T1副边Ns的同名端相连，开关管S2源极与二极管D5阴极、电感L2一端相连，二极管D5阳极与变压器T1副边Ns的非同名端相连；所述纹波补偿单元由电感L2、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C4、电容C5、放大器A1、PNP型三极管Q1、NPN型三极管Q2组成，其中三极管Q1和三极管Q2组成扩流电路，对放大器A1的输出电流进行放大；所述电感L2一端与二极管D5阴极相连，电感L2另一端与电阻R2、电容C4正极相连，电阻R2右端与电阻R4、电阻R6、电容C3正极、LED负载正极相连，放大器A1反相端与电阻R3、电阻R5相连，放大器A1同相端与电阻R4、电容C5正极相连，放大器A1输出端与三极管Q1基极、三极管Q2的基极相连，三极管Q1发射极与三极管Q2的发射极、电阻R5、电阻R6相连，电容C5负极、三极管Q2集电极接地；所述输出单元(7)由n个LED灯串联、电容C3组成；所述LED阳极与电阻R2、电阻R4、电阻R6、电容C3正极相连，LED阴极与电容C3负极、二极管D5阳极相连；所述集成控制单元有光耦和PWM控制芯片HV9930组成。
图2为基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源主要工作波形，从图中可以看出电路有两个工作模态。电路进入稳态后，电感电流iL2可以分解为直流分量IL2和交流分量之和，即
流过LED负载的电流为
如果
那么iO＝IL2。 (4)
因此，只要满足式(3)，有源纹波补偿电路可使流过LED负载的电流为恒定值。
1.工作过程分析
1)开关模态1[0-t1]:开关管S1和开关管S2同时导通，二极管D5因两端承受反相电压而关断，其等效电路如图3所示。电路中形成三个回路：Vin-D1-S1-L1-R1-D4构成一回路，电源Vin向电感L1充电；C2-Np-R1-D4-Vin-D1-S1构成一回路，电容C2经变压器T1向电感Ns传递能量；Ns-S2-L2-R2-LED构成一回路，电感Ns向电感L2、LED负载供电，电感L2电流iL2线性上升。假设变压器T1副边Ns两端电压为Us，输出电压为Uo，开关周期为Ts，开关管导通占空比为D，则电感L2的电流增量为：
2)开关模态2[t1-t2]:开关管S1和开关管S2同时关断，二极管D5导通为电感电流iL2续流，其等效电路如图4所示。电路中形成两个回路：L1-Np-C2形成一回路，电感L1向电容C2充电；L2-LED-D5形成另一回路，电感L2向LED负载供电，电感L2电流iL2线性下降，电感L2的电流增量为：
模态2结束后就进入下一工作周期。由于在一个开关周期内ΔiL2(on)+ΔiL2(off)＝0，因此LED驱动电源工作的条件为：
以上仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所做出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源，包括：一交流输入单元(1)、一整流滤波单元(2)、一隔离式Zeta电路(3)、一输出整流单元(4)、一纹波补偿单元(5)、一集成控制单元(6)和LED负载(7)；其特征在于：交流输入单元依次连接整流滤波单元、隔离式zeta电路、输出整流单元、纹波补偿单元、LED负载，LED负载同时与集成控制单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源，其特征在于：所述整流滤波单元(2)由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4及电容C1组成；所述二极管D1阴极与二极管D2阴极、电容C1正极相连，二极管D1阳极与二极管D3阴极相连，二极管D2阳极与二极管D4阴极相连，二极管D3阳极与二极管D4阳极、电容C1负极相连；所述隔离式Zeta电路(3)由开关管S1、电感L1、电容C2、变压器T1、电阻R1组成；所述开关管S1的漏极与电容C1正极相连，开关管S1源极与电感L1一端、电容C2负极相连，电容C2正极与变压器T1原边Np的同名端相连，电感L1另一端与电阻R1、变压器T1原边Np的非同名端相连；所述输出整流单元(4)由开关管S2、二极管D5组成；所述开关管S2漏极与变压器T1副边Ns的同名端相连，开关管S2源极与二极管D5阴极、电感L2一端相连，二极管D5阳极与变压器T1副边Ns的非同名端相连；所述纹波补偿单元(5)由电感L2、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C4、电容C5、放大器A1、PNP型三极管Q1、NPN型三极管Q2组成；所述电感L2一端连接二极管D5阴极，电感L2另一端与电阻R2、电容C4正极相连，电阻R2右端与电阻R4、电阻R6、电容C3正极、LED负载正极相连，放大器A1反相端与电阻R3、电阻R5相连，放大器A1同相端与电阻R4、电容C5正极相连，放大器A1输出端与三极管Q1基极、三极管Q2的基极相连，三极管Q1发射极与三极管Q2的发射极、电阻R5、电阻R6相连，电容C5负极、三极管Q2集电极与地相连；所述输出单元(7)由n个LED灯串联、电容C3组成；所述LED阳极与电阻R2、电阻R4、电阻R6、电容C3正极相连，LED阴极与电容C3负极、二极管D5阳极相连；所述集成控制单元由光耦和PWM控制芯片组成。
3.根据权利要求2所述的一种基于纹波补偿的长寿命LED驱动电源，其特征在于：电路中电容C2、电容C3均使用长寿命的CBB(聚丙烯)电容，避免使用短寿命的电解电容。
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